Qu’est-ce que les dommages dus au gel-dégel dans les chaussées en béton ?

Dommages dus au gel-dégel dans les chaussées en béton

Les dommages dus au gel-dégel sont la détérioration que causent des cycles répétés de gel et de dégel de l’eau dans le béton. Sur les dalles d’aérodrome, ils se manifestent par l’écaillage, la fissuration en D et les épaufrures.

Comment le gel endommage le béton

La pâte de ciment retient l’eau dans des pores de gel et dans des pores capillaires, plus grands. L’eau des pores de gel ne peut pas geler au-dessus de -78 °C. Les pores capillaires sont beaucoup plus grands. L’eau se dilate d’environ 9 pour cent en gelant. Trois effets transforment cette dilatation en dommages.

• Pression hydraulique. À mesure que la glace se forme, l’eau non gelée est repoussée à travers les pores capillaires, loin du site de gel. La pression augmente lorsque le gel est plus rapide, lorsque le trajet d’écoulement est plus long et lorsque la pâte est moins perméable.
• Pression osmotique. La glace rejette les ions dissous, si bien que l’eau restante devient plus concentrée. Cela attire davantage d’eau vers la glace et ajoute de la pression.
• Saturation critique. Le béton ne subit ces dommages que lorsque les capillaires de la pâte sont remplis à plus de 91,7 pour cent. Des pores partiellement remplis peuvent absorber la dilatation. La saturation critique peut se produire localement dans la pâte.

La saturation est donc le premier facteur. Le béton qui reste sec ne subit pas de dommages. L’AC 150/5320-6G de la FAA range un grand nombre de cycles de gel-dégel parmi les causes des problèmes de durabilité du béton. La mauvaise composition du mélange, une mauvaise mise en œuvre et un granulat peu durable en font aussi partie.

Limitation par l’entraînement d’air

Le béton contient deux sortes d’air. L’air emprisonné représente 1 à 3 pour cent du volume, dans des vides irréguliers de 1 à 10 mm ou plus. L’air entraîné est un réseau de bulles beaucoup plus petites, d’une taille moyenne typique d’environ 0,10 mm. Un adjuvant entraîneur d’air crée ces bulles.

Les vides entraînés agissent comme des sites de détente de la pression. L’eau migre vers un vide, et la glace peut s’y former sans accumulation de pression, si le béton n’est pas entièrement saturé. Chaque vide protège une couche de pâte qui l’entoure. Le facteur d’espacement est une valeur empirique de la distance maximale que l’eau doit parcourir dans la pâte pour atteindre un vide.

La FHWA donne ces règles empiriques :

• 6 ± 1 pour cent d’air total
• une surface spécifique d’au moins 24 mm²/mm³
• un facteur d’espacement de 0,20 mm (0,008 pouce) ou moins

La FHWA ajoute qu’environ 1,3 pour cent d’air total suffit à absorber la dilatation d’un béton entièrement saturé. Elle précise aussi que le volume d’air seul ne suffit pas, car les vides plus petits protègent mieux. Ces limites pourraient ne pas suffire pour certains adjuvants de synthèse.

Le manuel de cours de la FHWA donne les plages habituelles que les essais ASTM C457 relèvent dans le béton à air entraîné. Le rapport air-pâte est de 4 à 10, la surface spécifique de 25 à 45 mm⁻¹ et le facteur d’espacement de 0,1 à 0,2 mm. Le facteur d’espacement est généralement l’indicateur le plus significatif. Le maximum pour une exposition modérée est en général de 0,20 mm. Une exposition légère peut admettre des valeurs plus grandes, et une exposition sévère peut exiger des valeurs plus petites.

Teneur en air recommandée par l’item P-501 de la FAA

Pour les chaussées d’aérodrome, l’item P-501 de l’AC 150/5370-10H de la FAA laisse l’ingénieur choisir la teneur en air. Ce choix dépend du niveau d’exposition et de la plus grosse dimension de granulat. Le tableau donne les valeurs recommandées en pour cent.

• Légère. Une exposition légère concerne une chaussée que le gel ou les produits de déglaçage n’atteignent pas.
• Modérée. Une exposition modérée concerne un climat avec gel. Le béton n’est pas humide pendant de longues périodes avant de geler, et il ne reçoit aucun produit de déglaçage.
• Sévère. Une exposition sévère signifie des produits de déglaçage chimiques ou d’autres agents agressifs. Elle couvre aussi le béton qui risque d’être fortement saturé par un contact continu avec l’humidité ou l’eau libre avant de geler.

L’entrepreneur contrôle la teneur en air du béton frais selon l’ASTM C231. Pour le laitier et les autres gros granulats très poreux, l’essai est l’ASTM C173.

Aspect sur une dalle

• L’écaillage est la perte de la surface de la dalle. L’AC 150/5380-6C de la FAA indique qu’une surface affaiblie par une cure ou une finition inadéquates, avec des cycles de gel-dégel, peut mener à l’écaillage.
• La fissuration en D est un motif de fissures parallèles à un joint ou à une fissure, avec une coloration sombre autour des fines fissures. Elle peut mener à la désagrégation dans un rayon de 1 à 2 pieds (0,3 à 0,6 m) du joint ou de la fissure.
• Les épaufrures sont de petits morceaux qui se détachent de la surface. Elles mesurent environ 1 à 4 pouces (25 à 100 mm) de large et 1/2 à 2 pouces (13 à 50 mm) de profondeur.

Les problèmes de durabilité sont les plus graves le long des joints et aux angles des dalles, car le taux d’humidité y est le plus élevé.

Distinguer les cas

Le manuel PAVER distingue la RAS de la fissuration en D par les fissures perpendiculaires à la face du joint. Il distingue la RAS de la fissuration en faïençage et de l’écaillage par les signes de gonflement. Seuls le carottage et l’analyse pétrographique confirment la RAS.

Ne pas confondre avec le soulèvement par le gel

Le soulèvement par le gel est un problème du sol sous la dalle. L’AC 150/5320-6G de la FAA indique qu’il exige un sol gélif, une température de gel dans ce sol et une eau libre qui forme des lentilles de glace. Les dommages dus au gel-dégel sont un problème du béton lui-même.

Facteurs aggravants

• Entraînement d’air insuffisant pour le climat. Le manuel PAVER le classe comme un défaut de matériau qui cause l’écaillage. Il touche plusieurs dalles issues des mêmes gâchées de béton.
• Gel avant que le béton n’ait acquis sa résistance. Le manuel PAVER le cite comme une cause environnementale d’écaillage.
• Finition et cure médiocres. Le manuel PAVER cite la sur-finition, l’eau ajoutée à la surface pendant la finition et l’absence de cure comme défauts de construction qui causent l’écaillage.
• Granulat expansif. L’AC 150/5380-6C de la FAA relie la fissuration en D et les épaufrures aux granulats expansifs.
• Eau qui ne peut pas s’évacuer. L’AC 150/5380-6C indique qu’un drainage souterrain insuffisant peut contribuer à des dommages secondaires comme la fissuration en D.
• Produits de déglaçage. L’item P-501 classe le béton exposé aux produits de déglaçage au niveau d’exposition sévère.
• Une couche de roulement en asphalte. L’AC 150/5320-6G indique que la gravité des désordres de durabilité augmente souvent après une couche d’asphalte, car davantage d’humidité reste piégée à l’interface.

Comment on essaie la résistance au gel-dégel

La FHWA indique que l’essai s’arrête normalement lorsque le module dynamique relatif tombe sous 50 à 60 pour cent de sa valeur initiale. Le module dynamique relatif se calcule à partir de la fréquence de résonance du prisme. L’item P-501 utilise le résultat de l’ASTM C666 pour accepter le gros granulat. Voir la section sur la prévention.

Prévention dans les chaussées d’aérodrome

La spécification de l’item P-501 de la FAA et ses notes à l’ingénieur fixent ces mesures. Les notes sont indicatives, et l’ingénieur les adapte au projet.

• Teneur en air. Utiliser le tableau ci-dessus selon le niveau d’exposition et la dimension du granulat.
• Rapport eau sur liant. Le rapport se situe entre 0,38 et 0,45 en masse. L’ingénieur prescrit un maximum de 0,45, sauf si une exposition sévère au gel-dégel ou aux produits de déglaçage exige une valeur plus basse. Un rapport inférieur à 0,38 exige l’approbation de l’ingénieur et de la FAA.
• Teneur en liant. Un minimum de 470 livres par verge cube (280 kg/m³) est conseillé. Lorsqu’une exposition sévère au gel-dégel, aux produits de déglaçage ou aux sulfates est prévue, le minimum doit être d’au moins 517 livres par verge cube (310 kg/m³).
• Granulat. L’ingénieur choisit la plus grosse dimension de granulat en tenant compte de la vulnérabilité au gel-dégel. Lorsque la fissuration en D est un risque, le gros granulat doit avoir un facteur de durabilité de 95 ou plus selon l’ASTM C666. Un historique de service de 20 ans dans des conditions similaires, sans fissuration en D, est aussi admis.
• Chert (silex). Les épaufrures dues au chert sont un problème connu dans les zones de gel-dégel. Le P-501 limite le chert de densité relative inférieure à 2,40 à 0,1 pour cent en masse. La limite est de 1,0 pour cent dans les zones sans gel-dégel sévère.
• Travaux par temps froid. L’entrepreneur arrête le malaxage lorsque la température de l’air descend jusqu’à 40 °F (4 °C). Le malaxage reprend à 35 °F (2 °C). Le RPR peut autoriser les travaux par écrit. Le béton doit être à au moins 50 °F (10 °C) lors de sa mise en place, et jamais sur un matériau gelé.
• Cure. La période de cure est de 7 jours. Par temps froid, le béton reste à 50 °F (10 °C) ou plus pendant 72 heures. Il reste ensuite au-dessus du point de congélation pendant le reste des 7 jours.
• Scellement des joints. Le P-501 exige que les joints soient scellés selon l’item P-604 ou P-605. L’AC 150/5380-6C indique que le scellement des fissures empêche l’humidité de surface de pénétrer dans la structure de chaussée.
• Drainage. L’AC 150/5380-6C indique que les critères d’un système de drainage souterrain sous les pistes et les voies de circulation sont plus stricts que pour les aires de trafic.

La FAA cite le granite concassé, le grès cimenté à la calcite, le quartzite, le basalte, le diabase, la rhyolite et la roche de trapp (trap rock) parmi les granulats qui satisfont à l’exigence d’essai de fissuration en D. Ils doivent tout de même satisfaire aux autres essais de qualité du P-501.

Dommages dus au gel-dégel dans l’asphalte

Le mécanisme des vides d’air décrit plus haut concerne le béton. Pour l’asphalte d’aérodrome, l’AC 150/5380-6C de la FAA relie le gel-dégel aux nids-de-poule. Dans les climats nordiques soumis à des cycles de gel-dégel sévères, la formation de nids-de-poule s’aggrave et peut ne pas être liée au seul trafic. L’AC ajoute que les nids-de-poule ne sont pas un désordre fréquent sur les aérodromes. Elle indique aussi que l’humidité dans l’asphalte peut décoller le liant des granulats.

Pour la formulation, l’item P-401 de l’AC 150/5370-10H donne une règle pour l’essai du rapport de résistance à la traction. Dans les zones exposées au gel-dégel, utiliser un conditionnement gel-dégel. La méthode d’essai est l’ASTM D4867.

Comment le manuel PAVER le classe

Le manuel PAVER compte les désordres par dalle. Il classe l’écaillage selon le risque de FOD et la fissuration en D selon la surface et la désagrégation.

• Écaillage, faible : une perte minime de pâte de surface, sans potentiel de FOD.
• Écaillage, moyen : perte de pâte de surface avec un certain potentiel de FOD, comme du mortier ou du gros granulat détachés.
• Écaillage, élevé : béton peu durable qui continue de présenter un risque de FOD élevé. Le balayage courant n’arrête pas le FOD.
• Fissuration en D, faible : fissures capillaires sur une zone limitée de la dalle, par exemple un ou deux angles le long d’un joint. Peu ou pas de désagrégation.
• Fissuration en D, moyenne : la fissuration couvre une part notable de la dalle avec peu de désagrégation, ou couvre une zone limitée avec des morceaux manquants.
• Fissuration en D, élevée : la fissuration couvre une part notable de la dalle avec désagrégation ou potentiel de FOD.
• Épaufrures : le manuel ne définit pas de niveaux de gravité. Il ne compte la dalle que lorsque la densité moyenne dépasse environ trois épaufrures par verge carrée (mètre carré).

Si la fissuration en D est comptée sur une dalle, l’écaillage de cette dalle n’est pas consigné. Si une épaufrure d’angle ou de joint provient de la fissuration en D, seule la fissuration en D est consignée. L’écaillage de faible gravité, soit le faïençage (crazing), n’est compté que si un écaillage est probable dans les 2 à 3 ans.

Que faire

Le manuel PAVER indique que le balayage élimine le FOD dû à l’écaillage, mais que le béton continue de s’écailler tant que la profondeur touchée n’a pas disparu. Pour les épaufrures, l’AC 150/5380-6C ne prévoit qu’une action : enlever le FOD.

La méthode de réparation d’une chaussée rigide dépend du type de désordre, du climat, de l’expérience et des matériaux disponibles. L’AC cite le scellement des fissures et des joints, la réparation sur une partie de l’épaisseur et la réparation sur toute l’épaisseur. La réparation partielle convient aux épaufrures de joint, soit la dégradation du bord de la dalle à moins de 2 pieds (0,6 m) du joint. Une réparation de moins de 2 pouces (5 cm) se dégrade en général rapidement sur une chaussée d’aérodrome.

Dans le cadre de l’inspection d’aérodrome

Un relevé de chaussée consigne les désordres et leur gravité. Il ne consigne pas la cause. La fissuration en D et l’écaillage sont des types de désordres distincts, et sur une même dalle le manuel PAVER ne compte que la fissuration en D. TarmacView planifie des vols de relevé de chaussée et prend les photos dès aujourd’hui. La détection des fissures et la classification ASTM D5340 sont en développement et proposées en accès anticipé.